摘要:利用(yong)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qì)體流量标(biāo)準裝置,通(tōng)過調節試(shì)驗🔞管道中(zhong)介質的工(gōng)作壓力(0.23~0.5MPa)來(lái)改變介質(zhi)密度,分别(bié)在空氣密(mì)☂️度爲2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3、5.987kg/m3四種(zhong)情況下對(dui)50mm口徑氣體(tǐ)渦街流量(liàng)計 的流量(liang)特性(儀表(biǎo)系數、線性(xìng)度、不确定(ding)度.流量下(xia)限)進行了(le)大量🙇‍♀️試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結果表明(ming),不同密度(du)下 渦街流(liú)量計 儀表(biao)系數的最(zui)大相對誤(wù)差0.405%,驗證了(le)渦街流量(liang)計儀表系(xì)數幾乎不(bu)受流體密(mi)度變化的(de)影響;并發(fā)現渦街流(liú)♉量計的流(liú)量下限随(suí)着介質密(mì)度的增大(da)而向下延(yan)伸,對此現(xian)象進行了(le)分析。
1引言(yán)
　　渦街流量(liang)計是一種(zhǒng)利用流體(tǐ)振動原理(lǐ)來進行流(liú)量測量的(de)振動式流(liu)量計,廣泛(fan)應用于測(ce)量和工業(ye)過程控制(zhi)領域中。但(dan)🔞曆史較短(duǎn),理論基礎(chǔ)和實踐經(jing)驗不足,還(hai)有許多工(gōng)作需要探(tan)索、充實1.21渦(wo)街流量計(jì)💁最基本的(de)流量方程(cheng)經常引用(yong)✂️卡曼渦街(jiē)理論，進而(ér)得出渦街(jie)流量計旋(xuán)渦分離的(de)頻率僅與(yu).流體工作(zuò)狀态下的(de)體🏒積流量(liàng)成正比,而(er)對被測流(liu)體溫度、壓(ya)力、密度、粘(zhan)♻️度和組分(fèn)變化不敏(mǐn)感的🔱特點(diǎn)。實際應用(yong)🌏中,現場工(gong)作條件的(de)變化到底(di)會對渦街(jiē)流量計測(ce)🐇量帶來多(duō)🌈大的附加(jia)誤差尚不(bu)明确。SophieGoujon-Durand研究(jiū)了流體粘(zhān)度對渦街(jiē)流量計線(xiàn)性度的影(yǐng)響,繪出不(bu)同粘度對(dui)渦街線性(xìng)度的校正(zheng)曲線💯[4]”。通過(guò)氣體不同(tong)工作壓力(lì)❗下的試驗(yan)驗證了渦(wo)街流量計(jì)🥰不随介質(zhì)密度變化(huà)的結論，但(dan)是并未給(gěi)出具體試(shi)驗數據。本(běn)文采用試(shi)驗方法,利(lì)用正壓法(fǎ)⚽音速噴嘴(zuǐ)氣體流量(liàng)标準裝🏃置(zhì),在不同介(jie)質密度下(xià)對渦街流(liú)👄量計的流(liú)量特性進(jìn)行對比研(yán)究，得到儀(yí)表系數和(he)流量下限(xian)🔴随密度變(biàn)化曲線和(he)趨🍉勢,并對(dui)試驗結果(guǒ)進行分析(xi)解釋。
2渦街(jiē)流量計工(gong)作原理
　　如(ru)圖1所示，管(guan)道中垂直(zhí)插人一梯(tī)形柱狀旋(xuan)渦.發生⛹🏻‍♀️體(tǐ),随🔆着💃流體(tǐ)❓流動,當管(guan)道雷諾數(shu)達到一定(dìng)值時,在旋(xuán)渦發生體(tǐ)兩✨側會交(jiāo)替地産生(shēng)有規則的(de)旋渦,這種(zhǒng)旋渦🙇🏻稱爲(wei)卡曼渦街(jie)。

設(she)旋渦發生(shēng)頻率爲，f,旋(xuan)渦發生體(tǐ)迎流面寬(kuan)度爲d,表體(tǐ)通徑爲D,根(gēn)🌍據卡曼渦(wo)街原理，可(kě)知:

　　式中:U1爲(wèi)旋渦發生(sheng)體兩側平(ping)均流速;U爲(wei)被測介質(zhì)來流的平(píng)均流⭕速;Sr爲(wèi)斯特勞哈(ha)爾數,對一(yi)定形狀的(de)旋渦發生(sheng)體在一定(dìng)雷諾數範(fan)圍内爲常(chang)數;m爲旋渦(wō)發生體兩(liang)側弓形面(mian)積與管道(dào)橫截面面(miàn)積之比。
　　流(liu)體在産生(sheng)旋渦的同(tóng)時還受到(dao)一個垂直(zhí)方向上力(li)🥰的作用🙇‍♀️,根(gēn)據湯姆生(sheng)定律和庫(ku)塔一-儒可(ke)夫斯基升(sheng)力定理,設(shè)作用在旋(xuan)渦發生體(tǐ)每單位長(zhang)度上的升(sheng)力爲FL有:

式(shì)中:cL爲升力(li)系數;ρ爲流(liú)體密度。
　　由(yóu)于交替地(dì)作用在發(fa)生體.上升(sheng)力的頻率(lü)就是旋渦(wo)✂️的脫落頻(pin)率,通過壓(ya)電探頭對(duì)FL變化頻率(lü)的檢測，即(ji)可得到?再(zài)由式(1)可得(de)體積流量(liàng)qv:

式中:K爲渦(wo)街流量計(jì)的儀表系(xi)數。
　　從式(3)、(4)可(ke)以看出,對(dui)于确定的(de)D和d,流體的(de)體積流量(liang)qv與旋渦頻(pin)率?成正比(bǐ),而?隻與流(liu)速U和旋渦(wō)發生體的(de)幾何參數(shu)有關,且與(yu)被測流體(tǐ)的物性和(hé)組分無關(guan)，因此可以(yi)得出渦街(jie)流量計不(bú)受流體溫(wen)度、壓力、密(mi)度、粘度、組(zu)分🌍因素的(de)影🚶‍♀️響。本文(wen)研🧑🏽‍🤝‍🧑🏻究在複(fú)雜♍的現場(chang)環👄境下,工(gong)作壓力的(de)增加、介質(zhì)密度的變(biàn)化對渦街(jiē)流量計測(cè)量産生的(de)影響。
3試驗(yan)裝置
3.1音速(su)噴嘴工作(zuò)原理
　　文丘(qiū)利噴嘴是(shi)個孔徑逐(zhú)漸減小的(de)流道,孔徑(jìng)最小的部(bu)分稱爲♈噴(pēn)嘴的喉部(bu),喉部的後(hòu)面有孔徑(jìng)逐漸擴大(da)的流道。當(dang)氣體通過(guò)🈚噴嘴時,喉(hóu)部的氣體(tǐ)流速将随(suí)着🈲節流壓(yā)力比減小(xiao)而增大。當(dāng)節📐流壓力(lì)比小到一(yī)定值🔴時,喉(hóu)部流速達(dá)到最大流(liú)速一音速(sù)。此時若再(zai)減小節流(liu)壓力比,流(liu)速(流量)将(jiang)保持音速(sù)不變,不再(zài)受下遊壓(yā)力的影響(xiang)，而隻與噴(pēn)嘴人口處(chu)🌏的滞止壓(ya)力和💜溫度(du)有關,此時(shi)的噴嘴稱(cheng)爲音速噴(pēn)嘴,流量方(fang)程式爲:

　　式(shi)中:qm爲流過(guo)噴嘴的質(zhì)量流量;A.爲(wei)音速噴嘴(zui)喉部面積(ji);C爲👉流💞出系(xi)🌈數;C.爲臨界(jiè)流函數;P。爲(wei)音速噴嘴(zui)人口處滞(zhì)止絕對壓(ya)力;T。爲音速(su)噴嘴人口(kou)處滞止絕(jue)對溫度;R爲(wèi)通用氣體(tǐ)常數;M爲氣(qi)體千摩爾(ěr)質量。
　　從式(shì)(5)可以看出(chu),一.種喉徑(jing)的噴嘴隻(zhi)有一一個(gè)臨界流量(liàng)值,噴㊙️嘴人(rén)口的滯止(zhi)壓力和滞(zhì)止溫度不(bú)變時,通過(guò)噴嘴的流(liu)量也不變(bian),正是由于(yu)此特性使(shǐ)音速噴.嘴(zuǐ)作爲标準(zhǔn)件廣泛應(ying)用于⚽氣體(ti)流❤️量标準(zhun)裝置中。
3.2音(yīn)速噴嘴氣(qì)體流量标(biao)準裝置
　　音(yin)速噴嘴氣(qì)體流量标(biao)準裝置按(an)照氣源壓(yā)力不同‼️分(fèn)🐆爲正壓法(fǎ)和負壓法(fa)兩種。
　　正壓(yā)法裝置通(tōng)過改變噴(pēn)嘴人口的(de)滞止壓力(li)改變流過(guo)噴嘴的氣(qi)體流量,用(yong)較少的噴(pēn)嘴實現較(jiào)寬的流量(liàng)範圍,而且(qiě)較高而可(kě)變的氣源(yuan)壓力可以(yi)使其工作(zuo)在正壓(絕(jue)壓0.2MPa以上)狀(zhuàng)态下,從而(er)氣體密度(dù)高于常壓(yā)裝置㊙️,具有(yǒu)不同密度(du)(壓力🈲)點上(shàng)的試驗能(néng)力,可用于(yú)研究氣體(ti)密度變化(hua)🙇🏻對于流量(liang)儀🍓表性能(neng)的影響。
　　本(ben)文試驗裝(zhuang)置采用正(zhèng)壓法,工作(zuo)流量範圍(wei)爲工況2.5~666m3/h,工(gōng)作壓力✌️範(fan)圍爲表壓(yā)0.1~0.5MPa,裝置結構(gòu)圖如圖2所(suo)示。工作原(yuán)理是:首💃先(xiān)由空壓機(ji)将大氣中(zhong)的空氣送(song)人管道，經(jīng)冷幹機除(chu)去水氣後(hou)打人高🏃壓(yā)儲氣罐中(zhong),待儲氣🔞罐(guàn)壓力升高(gāo)到-定值之(zhī)後,調節穩(wen)壓閥使其(qí)下遊管✍️道(dao)壓力穩定(dìng)在合适值(zhí),經穩壓閥(fá)調節⛹🏻‍♀️後進(jìn)入試驗管(guǎn)道的高壓(ya)氣體先後(hou)流經渦☂️街(jie)流量計、滯(zhì)止容器、音(yin)速噴嘴組(zǔ)、彙氣🈲管、消(xiao)音器後,最(zui)終通向大(dà)氣。其中，音(yin)速噴嘴組(zǔ)由安裝⭐在(zai)滞止容器(qì)下遊的11個(gè)不同喉📧徑(jìng)音速噴嘴(zui)并聯而成(chéng),通過控制(zhi)音速噴嘴(zui)下遊的開(kai)關閥門,可(kě)以任意選(xuǎn)擇音速噴(pen)嘴的組🌈合(he)方式，以✏️達(da)到改變被(bei)測儀表流(liú)量的目的(de)。通過對滞(zhì)止容器上(shang)溫度變送(sòng)器T、壓力變(biàn)送器P,信号(hào)采集,代人(rén)公式(5)便可(kě)得到通過(guo)音速噴嘴(zuǐ)的質量流(liu)㊙️量,亦即流(liú)過渦街流(liu)量計處的(de)質量流量(liang)。通過測量(liang)渦街流量(liang)計處的溫(wen)度T和壓力(li)P,可以計算(suan)出工作狀(zhuang)态下空氣(qì)密度,進而(ér)得到實際(ji)👨‍❤️‍👨體積流量(liang)。再根據相(xiàng)同時間間(jiān)隔内渦街(jie)流量計輸(shū)出脈沖的(de)檢測，可最(zui)終實現對(duì)🌈渦街流🏃🏻‍♂️量(liàng)計儀表系(xi)數等流量(liàng)特性的研(yán)究。
上述全(quan)部工作過(guò)程均由計(ji)算機系統(tǒng)實時控制(zhì)和處理。經(jīng)過分析和(hé)測試，試驗(yan)裝置精确(que)度爲0.5級。

4流(liu)量特性試(shì)驗研究
4.1試(shì)驗方案
在(zai)正壓法音(yin)速噴嘴氣(qi)體流量标(biāo)準裝置，上(shang),通過調節(jie)滞止壓💔力(li)㊙️來改變介(jie)質密度,在(zai)4個不同介(jie)質密度條(tiáo)件下,分别(bié)對50mm口徑♊渦(wo)街流量計(jì)進行大量(liàng)的試驗。通(tong)過數據分(fèn)析,主要從(cóng)兩方面🈚考(kao)察介質密(mi)度變化對(dui)渦街流量(liàng)計流量特(te)性的影響(xiang):
(1)考察渦街(jiē)流量計儀(yí)表系數受(shòu)密度變化(huà)影響程度(du),驗證㊙️卡曼(man)渦街理論(lun);
(2)考察渦街(jiē)流量計測(cè)量下限随(sui)密度改變(bian)的變化趨(qu)勢,從理論(lùn)角度給予(yu)解釋。
4.2試驗(yàn)數據及分(fen)析
爲了保(bao)證音速噴(pen)嘴在喉部(bu)達到音速(su),并結合穩(wěn)壓閥的調(diào)壓範🔴圍，試(shì)驗選擇在(zài)表壓0.13MPa、0.2MPa.0.3MPa、0.4MPa下進(jìn)行,對應空(kong)氣介質密(mi)度分别爲(wèi)2.774kg/m3.3.619kg/m3、4.782kg/m3.5.987kg/m3。由于高壓(yā)儲氣罐的(de)容量有限(xiàn)(12m'),爲避免當(dāng)流量大時(shí)管道内壓(ya)力下降迅(xùn)速，試驗最(zui)大❤️流量點(dian)選擇在176m3/h(對(duì)應流速爲(wèi)25m/s);最😘小流量(liàng)點🌏即流量(liàng)下限正是(shi)本文要研(yán)究的流量(liang)特性之一(yī)，由試驗結(jie)果㊙️而定。試(shi)驗嚴格按(an)照國家計(jì)量檢定規(guī)程進行,在(zai)每個介質(zhi)密度下整(zheng)個流量🚶範(fàn)圍内壓力(li)變化不超(chao)過1kPa,在每個(ge)流量點的(de)每一次檢(jian)定過程中(zhōng)，壓🐆縮空氣(qì)溫🐇度變化(huà)不超過0.5℃。
根(gēn)據試驗得(de)到的數據(jù),可繪制出(chū)如圖3不同(tóng)空氣密度(dù)下渦✏️街儀(yí)表系數随(sui)流量變化(huà)曲線，并得(dé)到渦街流(liu)量計的流(liú)量⚽特性見(jian)表1。

從圖3和(he)表1可總結(jié)出以下幾(jǐ)點結論:
(1)不(bú)同密度下(xia)渦街各點(dian)儀表系數(shù)随流量變(bian)化曲線K-q,具(ju)有🔆很好的(de)相似性。小(xiao)流量下K值(zhi)波動較大(dà),在流量點(dian)22m3/h處達到峰(feng)值,之後👌K值(zhí)趨于常數(shu)且随着密(mì)度的增大(dà)穩定🧡性愈(yu)好,這是因(yīn)爲,影響渦(wō)街儀表系(xi)數的斯特(te)勞哈爾數(shu)Sr是雷諾數(shù)Re的函數,而(ér)Re的定義爲(wei):

式中:μ爲動(dong)力粘度。在(zài)流速U相同(tóng)情況下,ρ變(bian)大時Re也相(xiang)🛀應變大,根(gen)據Sr-Re曲線'),Sr将(jiāng)更加趨于(yú)平坦,故K值(zhí)随着介質(zhi)密度💁的增(zeng)大穩定性(xing)愈好㊙️。
(2)随着(zhe)介質密度(du)的增大,渦(wo)街流量計(ji)儀表系數(shù)變化🐇很小(xiǎo),最🏒大🐇相對(dui)誤差爲:

因(yin)而驗證了(le)卡曼渦街(jiē)理論得出(chu)的渦街流(liú)量計幾乎(hū)不受流體(tǐ)密度變化(huà)影響的特(tè)點,非常适(shì)合于氣體(ti)流量測量(liàng)。
(3)随着介質(zhì)密度的增(zēng)大,渦街流(liu)量計不确(que)定度和線(xian)性度🙇🏻基本(běn)不變,渦街(jiē)流量計準(zhǔn)确度爲1.5級(jí),且不受流(liú)體密度變(biàn)㊙️化影響。
(4)随(sui)着介質密(mì)度的增大(da),渦街流量(liàng)計流量下(xia)限降低,量(liàng)程擴大。這(zhè)是因爲,由(you)公式(2)可知(zhī),作用在旋(xuan)渦發生🌈體(ti)上的升力(li)FL與被測♈流(liu)體的密度(dù)ρ和流速U平(ping)方成正比(bi)。當壓縮空(kong)氣密度ρ升(sheng)💚高時,在保(bao)證渦街流(liu)量計的檢(jian)測靈敏度(dù)(即升力💚FL)不(bú)變的情況(kuàng)下,測量流(liú)速U會相應(yīng)降低,那麽(me)渦街流量(liàng)計的流量(liàng)下限q.mi也會(hui)相應降🐆低(dī)，上述過程(cheng)可表示爲(wèi)下式:


5結論(lùn)
(1)随着介質(zhi)密度的增(zēng)大,渦街流(liú)量計儀表(biao)系數變化(huà)很小,最大(da)相對誤差(cha)僅爲0.405%,驗證(zheng)了渦街流(liú)量計幾乎(hu)🐆不受🌈流體(ti)密度變化(hua)的影響。
(2)随(suí)着介質密(mi)度的增大(da),渦街流量(liang)計流量下(xia)限降低,量(liàng)程擴大,根(gen)據作用在(zài)旋渦發生(sheng)體上的升(sheng)力公式對(duì)此現象進(jìn)行了理論(lun)分析。

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